CN110011379A - 一种储能系统的放电均衡装置和方法 - Google Patents
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Abstract
一种储能系统的放电均衡装置和方法,该装置包括N个储能单元、储能状态采集单元、负载供电电源规格判断单元、放电控制单元和N个放电执行单元。该放电控制单元根据负载所需电压值以及每个储能单元的实时电压和/或实时温度状态信息选择合适的储能单元对负载进行供电,使得电压较高和/或温度较低的储能单元由于电压高而被优先释放电能,从而达到放电均衡的目的,有利于提高储能系统的寿命和安全性能。
Description
技术领域
本发明涉及储能系统管理领域,具体涉及一种储能系统的放电均衡装置和方法。
背景技术
目前的储能系统是由多个储能的节点(电池)为基本单元,通过各种串并联方式构成高电压大容量的整体,用于给各种负载进行供电。该储能系统在放电的过程中,由于基本电池单元一致性,导致不同的单元有些电量已经放完了,有些还没有放完。这些对于整个能源系统的寿命和安全都带来影响。
目前的大容量储能系统通常是用满足需求带一定冗余的电压,增加容量完成大容量电池系统的架构,此应用主要为了电压低的安全考虑,但是需求是所有节点单元必须全部处于正常工作状态,一旦有个串联节点突然出现异常(比如欠压保护或者过温保护),为了保护系统的安全,电池对外断路,系统对外电源就消失了。
对于上述问题目前的解决方案主要有两种方式:被动均衡和主动均衡。被动均衡是对于每个基本单元并联电阻的方式,对于放电过程中对于电压高的通过电阻放电,使得每个电源的量保持放电一致从而达到容量均衡的目的。此种方案可以使得电池基本同时进入欠压保护状态,但是对于电池的能源利用率比较低,有些能源通过电阻的方式以热量的方式消耗。主动均衡是在放电的过程中采取大量的切换开关使得能量高的节点向能量低的节点充电,以完成能源的均衡。该方案优点是对于能源的利用率很高,但是产品的设计和控制方法很复杂,成本昂贵,风险性高,而且目前还没有商业化的储能管理用主动均衡方案。
发明内容
为解决上述技术问题,本发明提供了一种储能系统的放电均衡装置和方法,在储能系统中选择电压高的电源优先释放电能,从而使储能系统达到电量均衡的目的,提高整个储能系统的寿命和安全性能。
本发明采用如下技术方案实现:
本发明的第一方面提供了一种储能系统的放电均衡装置,包括N个储能单元、储能状态采集单元、负载供电电源规格判断单元、放电控制单元和N个放电执行单元;每个储能单元连接有所述储能状态采集单元,所述负载供电电源规格判断单元连接所述放电控制单元;所述储能状态采集单元与所述放电控制单元连接,所述放电控制单元与所述放电执行单元连接,所述放电执行单元与所述储能单元对应连接;其中,N为大于1的整数;
所述储能单元用于存储电能并向用电负载供电,N个储能单元相互串联连接;
所述储能状态采集单元用于采集每个所述储能单元的状态信息,并将所述状态信息发送至所述放电控制单元;
所述负载供电电源规格判断单元用于判断连接的负载所需的供电电源规格,并将其发送给所述放电控制单元;
所述放电控制单元根据所述供电电源规格和状态信息选择相应的M个储能单元,并控制与所述M个储能单元对应的放电执行单元使其对负载进行放电,其中M为正整数,且M<N。
进一步的,所述储能状态采集单元采集的状态信息包括储能单元的电压和温度的状态信息。
进一步的,所述放电控制单元根据所述供电电源规格确定M的数值,使得M个储能单元串联连接的供电电压值大于等于所述负载用电所需的电压值。
进一步的,所述放电控制单元根据所述状态信息选择相应的M个储能单元包括:根据每个储能单元的实时电压值Vi,i∈N,对所述N个储能单元的电压从高到低进行排序,选择前M个储能单元,控制其对应的放电执行单元,使所述M个储能单元对负载进行放电。
进一步的,所述放电控制单元根据所述状态信息选择相应的M个储能单元包括:根据每个储能单元的实时电压值Vi,i∈N,对所述N个储能单元的电压从高到低进行排序,选择前round(1.2*M)个储能单元,再将该round(1.2*M)个储能单元的实时温度值从低到高进行排序,选择前M个储能单元,控制其对应的放电执行单元,使所述M个储能单元对负载进行放电。
进一步的,所述放电执行单元为旁路开关,每个储能单元对应设置一个旁路开关;所述放电控制单元控制所述M个储能单元对应的M个旁路开关呈断开状态,其他旁路开关呈闭合状态。
本发明的第二方面提供了一种根据如前所述的储能系统的放电均衡装置的放电均衡方法,包括如下步骤:
采集连接的负载供电电源规格发送至所述放电控制单元;
采集每个储能单元的状态信息发送至所述放电控制单元;
根据所述负载供电电源规格和所述状态信息选择M个储能单元;
控制与所述M个储能单元对应的放电执行单元使其对负载进行放电。
进一步的,所述放电控制单元根据所述供电电源规格确定M的数值,使得M个储能单元串联连接的供电电压值大于等于所述负载用电所需的电压值。
进一步的,根据所述状态信息选择相应的M个储能单元包括:根据每个储能单元的实时电压值Vi,i∈N,对所述N个储能单元的电压从高到低进行排序,选择前M个储能单元,控制其对应的放电执行单元,使所述M个储能单元对负载进行放电。
进一步的,根据所述状态信息选择相应的M个储能单元包括:根据每个储能单元的实时电压值Vi,i∈N,对所述N个储能单元的电压从高到低进行排序,选择前round(1.2*M)个储能单元,再将该round(1.2*M)个储能单元的实时温度值从低到高进行排序,选择前M个储能单元,控制其对应的放电执行单元,使所述M个储能单元对负载进行放电。
综上所述,本发明提供了一种储能系统的放电均衡装置和方法,通过每个储能单元的实时电压和/或实时温度状态信息选择合适的储能单元对负载进行放电,控制简单并能达到均衡控制的目的。
附图说明
图1是本发明中的储能系统的放电均衡装置的结构示意图;
图2是本发明中的储能系统的放电均衡方法的具体流程示意图;
图3是本发明的储能系统的放电均衡装置的一个具体实施例的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了,下面结合具体实施方式并参照附图,对本发明进一步详细说明。应该理解,这些描述只是示例性的,而并非要限制本发明的范围。此外,在以下说明中,省略了对公知结构和技术的描述,以避免不必要地混淆本发明的概念。
如图1所示,本发明的第一方面提供了一种储能系统的放电均衡装置,包括N个储能单元、储能状态采集单元、负载供电电源规格判断单元、放电控制单元和N个放电执行单元;每个储能单元连接有所述储能状态采集单元,所述负载供电电源规格判断单元连接所述放电控制单元;所述储能状态采集单元与所述放电控制单元连接,所述放电控制单元与所述放电执行单元连接,所述放电执行单元与所述储能单元对应连接;其中,N为大于1的整数。储能单元用于存储电能并向用电负载供电,N个储能单元相互串联连接。储能状态采集单元用于采集每个所述储能单元的状态信息,并将所述状态信息发送至所述放电控制单元。负载供电电源规格判断单元用于判断连接的负载所需的供电电源规格,并将其发送给所述放电控制单元。放电控制单元根据所述供电电源规格和状态信息选择相应的M个储能单元,并控制与所述M个储能单元对应的放电执行单元使其对负载进行放电,其中M为正整数,且M<N。
具体的,本发明的储能系统为大容量电池系统,每个储能单元为电池单元。
进一步的,储能状态采集单元采集的状态信息包括储能单元的电压和温度的状态信息。该储能状态采集单元包括N个电压传感器和N个温度传感器,分别设置在每个电池单元中,用于实时采集每个电池单元两端的电压值以及该电池单元的温度值,经将其电压值和温度值实时的传送给放电控制单元。
进一步的,放电控制单元根据供电电源规格确定M的数值,使得M个储能单元串联连接的供电电压值大于等于所述负载用电所需的电压值。该储能系统作为供电电源,可以为不同的负载供电,不同的负载对于电源规格的要求不同,但是该储能系统的可供电压值应大于其能承担的负载的额定电压值。即对于某一负载所需的电压值,放电控制单元分配M个储能单元为其供电,有M<N。
进一步的,放电执行单元为旁路开关,每个储能单元对应设置一个旁路开关;所述放电控制单元控制所述M个储能单元对应的M个旁路开关呈断开状态,其他旁路开关呈闭合状态。
进一步的,放电控制单元根据所述状态信息选择相应的M个储能单元包括:根据每个储能单元的实时电压值Vi,i∈N,对所述N个储能单元的电压从高到低进行排序,选择前M个储能单元,控制其对应的放电执行单元,使所述M个储能单元对负载进行放电。下面以一个具体实施例对其进行进一步的说明。
如图2所示,假设储能系统一共有N节电池,具有N个储能节点。储能系统的用电负载需要电源电压高于M节电池才能工作(M<N)。在放电的过程中,储能状态采集单元采集该N节电池中每节电池的电压,按照电池的电压值从高到低进行排序,假设V1>V2…>VM>…VN,则电池按照V1、V2、…VM、…VN的顺序进行排列。每节电池的储能节点k(带有短路保护功能)对应一个旁路开关Sk,即放电执行单元。在正常状态下,该放电控制单元控制旁路开关S1~SM断开,S(M+1)~SN闭合,即电压值处于前M位置的电池为负载供电。由于储能节点具有短路保护功能,所以旁路的节点对外断开,储能状态采集单元随时采样所有的N节电池的电压,当有电压的高低顺序改变时,比如VM小于V(M+1),系统将电压VM对应的电池的开关SM闭合,V(M+1)对应的电池的开关S(M+1)打开。上述方案对于每个储能的最小单元,在放电的时候采用电压最高优先原则。
进一步的,所述放电控制单元根据所述状态信息选择相应的M个储能单元包括:根据每个储能单元的实时电压值Vi,i∈N,对所述N个储能单元的电压从高到低进行排序,选择前round(1.2*M)个储能单元,再将该round(1.2*M)个储能单元的实时温度值从低到高进行排序,选择前M个储能单元,控制其对应的放电执行单元,使所述M个储能单元对负载进行放电。下面以一个具体实施例对其进行进一步的说明。
如图2所示,假设储能系统一共有N节电池,具有N个储能节点。储能系统的用电负载需要电源电压高于M节电池才能工作(M<N)。在放电的过程中,储能状态采集单元采集该N节电池中每节电池的电压和温度,按照电池的电压值从高到低进行排序,假设V1>V2…>VM>…VN,则电池按照V1、V2、…VM、…VN的顺序进行排列。对于排序在前round(1.2*M)个的储能单元,再将该round(1.2*M)个储能单元的实时温度值从低到高进行排序,选择前M个储能单元。其中round()为四舍五入取整函数。这样在考虑电压值大小的同时考虑电池的温度值,使选择供电的电池的状态处于较佳状态。每节电池的储能节点k(带有短路保护功能)对应一个旁路开关Sk,即放电执行单元。在正常状态下,该放电控制单元控制旁路开关S1~SM断开,S(M+1)~SN闭合,即电压值处于前M位置的电池为负载供电。由于储能节点具有短路保护功能,所以旁路的节点对外断开,储能状态采集单元随时采样所有的N节电池的电压和温度。当有电压的高低顺序改变时,比如V[round(1.2*M)]小于V[round(1.2*M)+1],则将后者的电池替换前者的电池;同时,当有温度的高低顺序改变时,比如TM大于T(M+1),则系统将温度TM对应的电池的开关SM闭合,T(M+1)对应的电池的开关S(M+1)打开。
本发明的第二方面提供了一种根据如前所述的储能系统的放电均衡装置的放电均衡方法,如图3所示,包括如下步骤:
步骤S100,采集连接的负载供电电源规格发送至放电控制单元。具体的,由负载供电规格判断单元判断连接的负载所需的供电电源的规格,并将其发送至放电控制单元。
步骤S200,采集每个储能单元的状态信息发送至所述放电控制单元。该状态信息包括每个储能单元的实时电压和实时温度信息。
步骤S300,根据负载供电电源规格和所述状态信息选择M个储能单元。
步骤S400,控制与所述M个储能单元对应的放电执行单元使其对负载进行放电。
进一步的,所述步骤S300中,放电控制单元根据所述供电电源规格确定M的数值,使得M个储能单元串联连接的供电电压值大于等于所述负载用电所需的电压值。
进一步的,所述步骤S300中,根据所述状态信息选择相应的M个储能单元包括:根据每个储能单元的实时电压值Vi,i∈N,对所述N个储能单元的电压从高到低进行排序,选择前M个储能单元,控制其对应的放电执行单元,使所述M个储能单元对负载进行放电。
进一步的,所述步骤S300中,根据所述状态信息选择相应的M个储能单元包括:根据每个储能单元的实时电压值Vi,i∈N,对所述N个储能单元的电压从高到低进行排序,选择前round(1.2*M)个储能单元,再将该round(1.2*M)个储能单元的实时温度值从低到高进行排序,选择前M个储能单元,控制其对应的放电执行单针对元,使所述M个储能单元对负载进行放电。
本发明针对大容量电池系统做了结构修改以适应后续的均衡方案。在储能不变的情况下,将之前的低电压高容值修改为高电压低容值。本设计对于用电系统来说,电压的冗余度变高了。即使部分电池出现了任何异常,由于后面的均衡方案也不会使得系统出现无法输出能源。
综上所述,本发明提供了一种储能系统的放电均衡装置和方法,通过每个储能单元的实时电压和/或实时温度状态信息选择合适的储能单元对负载进行放电,使得电压较高和/或温度较低的储能单元由于电压高而被优先释放电能,从而达到均衡的目的。由于本设计方案采用在相同能量下,高电压低容值的方案,使得整个均衡方案更加灵活,比如针对M个储能节点可以使得负载正常工作的情况下,可以使用M~N个节点工作的设计,对于同时工作的节点数越多,均衡的效果越差,但是控制的逻辑越简单和切换的频率越低。
应当理解的是,本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理,而不构成对本发明的限制。因此,在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。此外,本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
Claims (10)
1.一种储能系统的放电均衡装置,其特征在于,包括N个储能单元、储能状态采集单元、负载供电电源规格判断单元、放电控制单元和N个放电执行单元;每个储能单元连接有所述储能状态采集单元,所述负载供电电源规格判断单元连接所述放电控制单元;所述储能状态采集单元与所述放电控制单元连接,所述放电控制单元与所述放电执行单元连接,所述放电执行单元与所述储能单元对应连接;其中,N为大于1的整数;
所述储能单元用于存储电能并向用电负载供电,N个储能单元相互串联连接;
所述储能状态采集单元用于采集每个所述储能单元的状态信息,并将所述状态信息发送至所述放电控制单元;
所述负载供电电源规格判断单元用于判断连接的负载所需的供电电源规格,并将其发送给所述放电控制单元;
所述放电控制单元根据所述供电电源规格和状态信息选择相应的M个储能单元,并控制与所述M个储能单元对应的放电执行单元使其对负载进行放电,其中M为正整数,且M<N。
2.根据权利要求1所述的储能系统的放电均衡装置,其特征在于,所述储能状态采集单元采集的状态信息包括储能单元的电压和温度的状态信息。
3.根据权利要求2所述的储能系统的放电均衡装置,其特征在于,所述放电控制单元根据所述供电电源规格确定M的数值,使得M个储能单元串联连接的供电电压值大于等于所述负载用电所需的电压值。
4.根据权利要求3所述的储能系统的放电均衡装置,其特征在于,所述放电控制单元根据所述状态信息选择相应的M个储能单元包括:根据每个储能单元的实时电压值Vi,i∈N,对所述N个储能单元的电压从高到低进行排序,选择前M个储能单元,控制其对应的放电执行单元,使所述M个储能单元对负载进行放电。
5.根据权利要求3所述的储能系统的放电均衡装置,其特征在于,所述放电控制单元根据所述状态信息选择相应的M个储能单元包括:根据每个储能单元的实时电压值Vi,i∈N,对所述N个储能单元的电压从高到低进行排序,选择前round(1.2*M)个储能单元,再将该round(1.2*M)个储能单元的实时温度值从低到高进行排序,选择前M个储能单元,控制其对应的放电执行单元,使所述M个储能单元对负载进行放电。
6.根据权利要求4或5所述的储能系统的放电均衡装置,其特征在于,所述放电执行单元为旁路开关,每个储能单元对应设置一个旁路开关;所述放电控制单元控制所述M个储能单元对应的M个旁路开关呈断开状态,其他旁路开关呈闭合状态。
7.根据权利要求1-6任一项所述的储能系统的放电均衡装置的放电均衡方法,其特征在于,包括如下步骤:
采集连接的负载供电电源规格发送至所述放电控制单元;
采集每个储能单元的状态信息发送至所述放电控制单元;
根据所述负载供电电源规格和所述状态信息选择M个储能单元;
控制与所述M个储能单元对应的放电执行单元使其对负载进行放电。
8.根据权利要求7所述的放电均衡方法,其特征在于,所述放电控制单元根据所述供电电源规格确定M的数值,使得M个储能单元串联连接的供电电压值大于等于所述负载用电所需的电压值。
9.根据权利要求8所述的放电均衡方法,其特征在于,根据所述状态信息选择相应的M个储能单元包括:根据每个储能单元的实时电压值Vi,i∈N,对所述N个储能单元的电压从高到低进行排序,选择前M个储能单元,控制其对应的放电执行单元,使所述M个储能单元对负载进行放电。
10.根据权利要求8所述的放电均衡方法,其特征在于,根据所述状态信息选择相应的M个储能单元包括:根据每个储能单元的实时电压值Vi,i∈N,对所述N个储能单元的电压从高到低进行排序,选择前round(1.2*M)个储能单元,再将该round(1.2*M)个储能单元的实时温度值从低到高进行排序,选择前M个储能单元,控制其对应的放电执行单元,使所述M个储能单元对负载进行放电。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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